一种发动机进气口噪声声功率测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种发动机进气口噪声声功率测试系统及 其测试方法。
【背景技术】
[0002] 目前在动力总成NVH领域多采用测量近场声压或大障板遮掩并用延长管引出进气 的方式来评价发动机的进气噪声，其缺点一是，进气噪声会被发动机其它噪声淹没，近场测 量声压也不能反映纯净的进气噪声。缺点二是，制作大障板需要与消声室的长宽高规格严 格一致，否则一旦有缝隙，低频噪声会发生衍射效应。缺点三是加进气延长管会改变进气噪 声的频率特性。因此设计一种能将发动机进气噪声从复杂的发动机声场中提取出来的测试 方法尤其重要。
[0003] 中国专利文件CN 104897275A公开了一种基于外场飞机的发动机噪声测试方法， 该方法的本质是声压法测声功率，其明确要求试验是在消声室中进行，并且明确要求减小 背景噪声和反射等环境因素的影响。专利文献CN103994892公开了一种车辆声功率测试系 统，该方法本质依然是声压法测声功率，其对环境要求苛刻(要求环境背景噪声小于20dB)， 基本只能在消声室或半消声室才能实现。
【发明内容】
[0004] 本发明针对目前实际生产设计的需要，提供一种测量发动机进气噪声声功率的测 试系统及方法，该方法利用声强矢量沿封闭曲面积分的特性从数理上完全将进气噪声从发 动机整体噪声中隔离提取出来，进而作为评价发动机进气噪声的可靠依据。
[0005] 本发明采用的技术方案如下：
[0006] 本发明首先提供一种发动机进气噪声声功率测试系统，包括传声器、传声器安装 支架、转速表、数采(数据采集)设备和PC电脑。
[0007] 系统的传声器是安装在传声器安装支架上，并通过BNC线束与数采设备相连;所述 转速表输入端连接发动机的转速信号线并输出到数采设备的转速通道;转速表用于获取发 动机的实时转速并将转速信号输给数采设备，数采设备用于记录传声器测得的声压信号以 及转速表测得的同步转速信号，PC电脑用于控制数采设备，以及计算处理所测得的信号。
[0008] 本系统的传声器设有12只，每2只传声器按轴线重合、头对头但保留一定间距的方 式组成1对声强探头，共计6对声强探头，安装在传声器安装支架上。
[0009] 本系统的传声器安装支架包含3根杆，3根杆两两正交组成空间十字架，按右手定 则给所述3根杆规定X、Y、Z三个方向；6对声强探头分别安装在3根杆的每一端，每根杆上则 有两对即4只传声器，6对声强探头围成一个立方体形的包络面。
[0010] 本发明进一步提出利用上述系统进行发动机进气噪声声功率测试的方法，包括步 骤如下：
[0011]步骤一，将发动机置于台架上或整车状态下，引出进气管便于安装所述发动机进 气噪声声功率测试系统。
[0012] 步骤二，对所述发动机进气噪声声功率测试系统的传声器按序标记为XI、X2、X3、 父4、￥1、￥2、￥3、￥4、21、22、23、24，并依次用8%线连接到数采设备的1~12通道上，标定传声 器后，在右手坐标系下遵循从右到左的原则按X、Y、Z方向分别将12只传声器按序固定在安 装支架的3根杆上。
[0013] 步骤三，按编号)(112、乂344、￥1-￥2、￥3-￥4、21-22、23-24分别组成6对声强探头， 依次标记为11 1、112、1~1^、121、122;组成声强探头的两只传声器之间的距离(1，取所关心的 最高频率对应的波长的1/6。
[0014] 步骤四，调节位置，使得6对声强探头落在边长为L的立方体包络面的六个面上；
[0015] 步骤五，前述组装好的测试装置放置在发动机进气口，使得进气口置于6对声强探 头所围成的立方体形的包络面内；
[0016] 步骤六，数采设备接入发动机的转速信号，启动发动机并使发动机从一设定的初 始转速rpmmin缓慢勾加速至设定的截止转速rpmmax，数采设备记录整个加速过程中12只传声 器的声压信号以及发动机同步转速信号。
[0017] 步骤七:PC电脑获取声压信号以及发动机同步转速信号并计算处理所测得的信 号，计算方法为：从初始转速按一定的转速步长△到截至转速划分出每一个转速点即 rpmmin,rpm+ Δ ,rpm+2 Δ ,......,rpm+n Δ，rpmmax，计算出每个转速点对应的时刻，根据设定的 频率分辨率取每个转速时刻下的一段声压信号按照互功率谱声强算法计算出6对声强探头 在该转速下的频域声强，按声功率计算方法将6个声强相加后乘以所在包络面面积S = L2， 即得到该转速下的进气口的频域声功率;依此类推计算出每个转速下的频率声功率按矩阵 排列，绘制出加速过程的进气噪声声功率colormap。
[0018] 本发明中，声功率定义为声强沿曲面的积分，声强的矢量特性使得:在任意复杂声 场中有一声源，用任意封闭曲面内包围该声源并且使得封闭曲面内有且只有该声源，则封 闭曲面上的声强沿该封闭曲面的积分结果与曲面的形状、大小以及外围声场的复杂程度没 有任何关系。
[0019] 因此，上述方法涉及到的声强和声功率计算如下：
[0020] 将声强Γ定义为通过垂直于声传播方向的单位面积S上的平均声功率是矢量：
[0022]因此根据声强定义，声强/还可以用单位时间内、单位面积的声波向前进方向毗邻 介质所做的功来表示：
[0024]式中：
[0025] Re(p):取声压的实部；
[0026] ReN):取质点振速的实部。
[0027] 根据欧拉公式，质点振速i?可以用声压梯度来计算：
[0029] 式中:p〇:媒质密度。
[0030] 于是可进一步推导出声强可通过声强探头中两传声器所测声压信号的互功率谱 密度计算得到：
[0032] 式中：
[0033] ?:声强；
[0034] Im(S12):取每对声强探头上两传声器所测声压的互功率谱密度的虚部；
[0035] ω:频率；
[0036] pQ:媒质密度；
[0037] d:传声器间距。
[0038]于是，声功率可以通过声强沿包络面积分得到：
[0040] 式中：
[0041] W:声功率；
[0042] ^ :立方体包络面上每个平面的声强；
[0043] 矣：立方体包络面上每个平面的面积。
[0044] 本发明具体对安装支架和声强探头的组装进行了特殊设计，搭建了测试系统，采 用了科学的声强以及声功率的算法对测试信号进行处理，利用声强矢量沿封闭曲面积分的 特性从数理上完全将发动机进气口噪声从发动机整体复杂的噪声场中隔离提取出来，进而 作为评价发动机进气噪声的可靠依据，相对于现行传统声压法测声功率，其优点如下：
[0045] 1.测试结果与外围声场没有关系，即对测试声场环境没有要求、不需要在特定的 声学环境如消声室、混响室中进行；
[0046] 2.数学原理上即可做到将进气口噪声源的特征从复杂的发动机噪声场中提取出 来，因此不需要设计制作大障板、进气延长管等工装设备。
【附图说明】
[0047] 图1是发动机进气口噪声声功率测试装置示意图；
[0048] 图1中：1.发动机，2.进气管，3.传声器安装支架，4.夹具，5.传声器，6.线束，7.数 采设备，8.PC电脑，9.转速表。
[0049] 图2是传声器及支架组件的正视示意图：
[0050] 图 2中：
[00511 3:X是安装支架编号为X方向的杆，
[0052] 3 :Y是安装支架编号为Y方向的杆，
[0053] 3 :Z是安装支架编号为Z方向的杆，
[0054] 4: XI是上述X杆的第一个夹具，
[0055] 4 :X2是上述X杆的第二个夹具，
[0056] 4 :Z1是上述Z杆的第一个夹具，
[0057] 4 :Z2是上述Z杆的第二个夹具，
[0058] 5: XI是上述X杆上的第一个传声器，
[0059] 5 :X2是上述X杆上的第二个传声器，
[0060] 5 :X3是上述X杆上的第三个传声器，
[00611 5:X4是上述X杆上的第四个传声器，
[0062] 5 :Y1是上述Y杆上的第一个传声器，
[0063] 5 :Y2是上述Y杆上的第二个传声器，
[0064] 5 :Υ3是上述Υ杆上的第三个传声器，
[0065] 5:Υ4是上述Υ杆上的第四个传声器，
[0066] 5 :Z1是上述Ζ杆上的第一个传声器，
[0067] 5 :Z2是上述Z杆上的第二个传声器，
[0068] 5 :Z3是上述Z杆上的第三个传声器，
[0069] 5:Z4是上述Z杆上的第四个传声器，
[0070] d是组成声强探头的两传声器之间的间距，
[0071] L是同一杆上的两只声强探头之间的间距。
[0072]图3是信号处理流程图。
[0073]图4是某款发动机空载加速工况下利用本发明测试系统分析出的结果。
【具体实施方式】